Рис. 1. Мыши двух генетически модифицированных линий, у которых можно уничтожать стареющие клетки, если давать им лекарство AP20187. +AP — 22-месячные мыши, которым давали лекарство в возрасте от 12 до 18 месяцев, –AP — мыши того же возраста, которым не давали лекарства. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Американские ученые получили две линии мышей, у которых можно уничтожать стареющие клетки. Благодаря такой терапии удалось отсрочить у экспериментальных животных развитие старческих болезней, оздоровить их, а также увеличить их среднюю продолжительность жизни на 17–35%.

Клеточное старение — важнейший биологический процесс, без понимания которого нет надежд на существенное увеличение продолжительности здоровой жизни. Старение всего организма определяется, в частности, тем, с какой скоростью удается избавляться от вышедших из строя клеток. Высокий процент стареющих клеток ведет разными путями к развитию старческих болезней. К примеру, факторы воспаления, которые выделяет вставшая на путь старения клетка, нужны, чтобы привлечь к ней внимание иммунной системы. Но если старых клеток становится слишком много, провоспалительные факторы нарабатываются в избытке, приводя к развитию ревматоидного артрита, атеросклероза и миопатий (см. T. Kuilman et al., 2010. The essence of senescence).

Характерные признаки клеточного старения — это постепенное прекращение деления клеток (конечные участки хромосом, теломеры; сокращаются при каждом делении), секретирование веществ, стимулирующих воспаление; перевод хроматина в более компактную форму. Эти признаки должны приобретать «подозрительные» клетки — например, клетки с серьезными повреждениями ДНК (из-за чего резко возрастает риск злокачественного перерождения). Клетки, в которых произошли изменения, опасные для всего организма, уничтожаются и, по возможности, заменяются новыми, возникшими в результате деления стволовых клеток.

Поскольку большая часть клеток тела животного постоянно обновляется, даже организм давно живущего на свете существа содержит лишь небольшую долю клеток, проявляющих признаки старения (хотя с возрастом доля таких клеток возрастает). Так, было показано, что у молодых мышей доля клеток с признаками старения составляет 8%, а у очень старых — 17% (см. Ch. Wang et al., 2009. DNA damage response and cellular senescence in tissues of aging mice).

Всё это наводит на мысль о том, что организму надо помогать избавляться от клеток, в которых начался процесс старения. Претворить эту идею в жизнь в 2011 году попробовали американские ученые из Медицинского колледжа при Клинике Майо (Рочестер, США). Им удалось замедлить появления признаков болезни у мышей с прогерией — преждевременным старением организма. Для этого ученые получили особую линию мышей, у которых можно было запустить самоуничтожение клеток организма, нарабатывающих в значительных количествах белок p16^Ink4a. Этот белок, помогающий блокировать деления клеток, относится к самым распространенным маркерам клеточного старения. Идея ученых подтвердилась: усиленное уничтожение стареющих клеток помогло мышам с прогерией стариться не так быстро (см. D. J. Baker et al. Clearance of p16^Ink4a-positive senescent cells delays ageing-associated disorders).

Данные были очень интересными, но результаты лечения прогерии не обязательно должны соответствовать результатам борьбы с естественным старением. И вот спустя пять лет тот же коллектив авторов опубликовал логичное продолжение своей работы, проведя эксперименты на двух линиях мышей, стареющих естественным образом. Оказалось, что и обычное старение организма можно отложить, если помогать организму устранять клетки с признаками клеточного старения.

Механизм, позволивший уничтожать у мышей стареющие клетки, довольно сложен. Кратко говоря, у этих животных можно запустить апоптоз — запрограммированную гибель тех клеток, где активно работает ген белка p16^Ink4a. Для этого ученые получили линии мышей, в клетках которых есть генетические конструкции с таким же промотором, как у гена p16^Ink4a. Когда этот ген в клетке активно действует, начинают работать и гены на синтетических конструкциях, введенных в клетки животных учеными. В число этих синтетических генов входят зеленый флуоресцентный белок, благодаря которому стареющие клетки становится видно невооруженным взглядом, и генкаспазы — фермента, запускающего апоптоз. Чтобы каспаза начала процесс апоптоза, ее молекулы должны объединиться в димеры.

Ген на синтетических конструкциях кодировал такой вариант каспазы, которыйдимеризуется (соединяется в единый комплекс) только при наличии в среде определенного вещества — лекарства под названием AP20187. В итоге в стареющих клетках в результате работы гена белка p16^Ink4a запускается блокировка клеточного цикла. Активность промотора этого гена запускает и синтез белков с синтетических конструкций — зеленого белка (окрашивающего стареющие клетки) и химерной каспазы. Каспаза может уничтожить клетки, в которых она нарабатывается, если мышам вводят лекарство AP20187. Получается, что у таких генетически модифицированных животных можно, во-первых, увидеть стареющие клетки, а во-вторых, эти клетки можно уничтожать, если давать животным лекарство.

Для испытания новой технологии в разных генетических контекстах ученые получали трансгенных лабораторных мышей с использованием двух разных линий. Оказалась, что эта схема, сложная в плане технической реализации, но простая по смыслу, на удивление эффективно помогает животным бороться со старением на уровне организма (рис. 1). Если годовалым мышам в течение шести месяцев вводили лекарство AP20187, то в их белом жиреобнаруживалось в восемь раз меньше стареющих клеток, чем у мышей, которым вводили простой физраствор. Кроме того, состояние жировой ткани у экспериментальных мышей было более здоровым: в возрасте от одного года до полутора они не начинали терять жировые запасы, их адипоциты (клетки, из которых в основном состоит жировая ткань) не уменьшались, а гены наработки жира в них не начинали работать слабее, как это бывает у обычных мышей (рис. 2).

Рис. 2. Образцы двух типов жировой ткани у мышей 12- и 18-месячного возраста, которым давали (+AP) или не давали (–AP) лекарство AP20187. Интенсивность зеленой окраски отражает наработку одного из маркеров старения — β-галактозидазы (см. Beta-galactosidase). Длина масштабного отрезка — 5 мм. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Ученые понаблюдали за активностью p16^Ink4a и других маркеров клеточного старения, а также синтетических генов и в других тканях подопытных животных. Во всех исследованных тканях мышей в возрасте от 12 до 18 месяцев росла активность маркера старения, но ее удавалось снизить, когда мышам давали лекарство. То, насколько слабела работа генов, связанных с клеточным старением, зависело от типа ткани. Значительный положительный эффект проявился для скелетной мускулатуры, тканей легких, сердца, почек, селезенки и глаз животных. Только в тканях кишечника и печени не обнаружилось снижения активности этих генов. Почему в этих органах метод ученых не дает положительного эффекта, пока непонятно, это будет интересно исследовать.

Хотя и не во всех тканях животных удалось запустить процессы уничтожения стареющих клеток, состояние подопытных мышей всё же улучшилось. У мышей обеих генетических линий средняя продолжительность жизни увеличилась на 17–35%. Для контроля ученые проверили, что у обычных, не модифицированных генетически, животных лекарство AP20187 не влияет на продолжительность жизни. К 22 месяцам генетически модифицированные мыши, которым давали лекарство, выглядели более здоровыми, чем мыши, которым вводили физраствор. Кроме того, они не утратили характерного для более молодых животных интереса к окружающему миру и так же часто проявляли исследовательское поведение.

Удаление стареющих клеток отложило у мышей формирование катаракты, а также улучшило работу почек и сердца (по сравнению с обычными мышами того же возраста). В почках при этом снизилось количество склеротических образований, а в сердце осталась неизменной масса левого желудочка, которая у стареющих мышей с возрастом уменьшается (рис. 3). В сердце, помимо этого, также не проявлялось обычного снижения активности генов, связанных с устойчивостью к стрессу. Благодаря этому мыши, у которых уничтожались старые клетки, лучше справлялись с аритмией, когда им вводили стимулирующие препараты. Наконец, удаление стареющих клеток увеличило продолжительность жизни даже тех животных, у которых развивался рак, хотя и не снизило частоту, с которой у животных появлялись опухоли.

Рис. 3. Состояние сердца у мышей 12- и 18-месячного возраста, которым давали (+AP) или не давали (–AP) лекарство AP20187. Интенсивность зеленой окраски отражает наработку одного из маркеров старения — β-галактозидазы. v — желудочек, a — предсердие, ar — корень аорты. Длина масштабного отрезка — 1 мм. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Важно, что разработанная учеными методика не привела при этом к появлению ярко выраженных негативных эффектов. Ведь, согласно некоторым работам, стареющие клетки бывают полезны: например, они ускоряют заживление ран, а также ограничивают развитие фиброза. Поэтому были причины опасаться, что удаление старых клеток даст нежелательные побочные эффекты. К счастью, эксперименты показали, что при включении системы удаления стареющих клеток у мышей не возникает проблем с залечиванием ран. Возможно, это связано с тем, что система удаляет не все клетки с признаками старения (хотя и большую их часть).

Разумеется, подобные технологии когда-нибудь хотелось бы применить и для омоложения людей. Но перед этим потребуется провести еще множество тестов и исследований, ведь взаимосвязи клеточного старения и состояния организма у человека могут оказаться более запутанными и сложными, чем у мышей.

Комары являются самыми опасными насекомыми на нашей планете. Из-за них ежегодно погибает более миллиона человек во все мире. Именно комары являются переносчиками малярии, лихорадки денге и вируса Зика. В связи с этим некоторые ученые предлагают бороться с распространением этих болезней путем уничтожить комаров. Но действительно ли это спасет мир от опасных недугов?

На сегодняшний день ученым известно порядка 3500 видов комаров, притом только некоторые из них досаждают людям, а другие просто питаются нектаром. Человеческую кровь пьют только женские особи некоторых видов, что составляет только 6% от общего количества комаров. Это позволяет самкам развиваться и воспроизводить потомство. Примечательно, что только половина из этого количества самок переносят опасные вирусы.

По словам Френсиса Хоукса, работающего в Институте природных ресурсов Гринвичского университета, в нынешнее время примерно половина всего населения земного шара подвергается риску заражения болезнями, переносимыми комарами. К самым опасным видам этих насекомых можно отнести Aedes aegypti, Aedes albopictus и Anopheles gambiae.

В связи с распространяющейся эпидемией, вызванной вирусом Зика, биолог Оливия Джадсон предложила уничтожить представителей 30-ти видов комаров, которые могут быть переносчиками опасных болезней. Это поможет спасти людей от опасных недугов, при этом популяция этих насекомых сократится всего на 1%.

Однако по мнению энтомолога Фила Лунибоса, уничтожение комаров может вызвать крайне негативные последствия. Комарами питаются птицы и летучие мыши, кроме этого они играют очень важную роль в опылении растений. Если комаров станет меньше или они полностью исчезнут, то это может кардинальным образом сказаться на пищевой цепочке и привести к необратимым изменениям. Кроме этого Лунибос предполагает, что место пропавшего вида в этой цепочке могут занять другие насекомые, которые в конечном счете могут оказаться еще более опасными.

Особое устройство экзоскелета позволяет насекомым выдерживать сильное давление и оставаться в живых при ударах и столкновениях.

Легко ли раздавить таракана? Конечно, если на него наступить со всей силы, то никаких шансов у таракана уже не будет, но вот если бросить в него каким-то предметом, то нередко случается, что он даже после прямого попадания убегает, как ни в чём не бывало. И это касается не только тараканов – наверняка многие задумывались, почему насекомые такие удароустойчивые. Особенно часто такой вопрос возникает при виде пчёл, ос, мух, бабочек: они ведь то и дело на что-то натыкаются – на листья, на стебли, на стены, постоянно бьются в стекло, пытаясь найти выход из дома – но никакого вреда подобные столкновения им, похоже, не несут.

Робот-таракан, способный выдерживать сплющивание и при этом передвигаться. (Фото PolyPEDAL Lab UC Berkeley.)

‹›

Секрет насекомых (и, очевидно, прочих членистоногих) – в особых свойствах их экзоскелета, описанных исследователями из Калифорнийского университета в Беркли в статье в PNAS. Каушик Джаярам (Kaushik Jayaram) и Роберт Фулл (Robert Full), экспериментируя с тараканами Periplaneta americana, обнаружили, что при высоте тела в 9 мм они способны протиснуться в щель размером всего 3 мм.

Сначала насекомые ощупывают дыру антеннами, затем пропихивают в неё голову и передние лапы, а потом начинается самое интересное – их туловище сплющивается настолько, что легко может пройти в отверстие, которое намного меньше самого таракана; вся процедура занимает менее двух секунд, то есть никаких длительных усилий тут не требуется. Похожий фокус способны проделывать только осьминоги (с поправкой, конечно, на разницу в размерах между ними и тараканами), но заметим – у осьминогов вообще нет никакого жёсткого скелета, ни внешнего, ни внутреннего. А у тараканов есть.

Хитрость в том, что покровы членистоногих одновременно и твёрдые, и мягкие, их экзоскелет состоит из пластин, соединённых эластичными мембранами – такое соединение позволяет им заходить друг на друга при сдавливании. Кроме того, гибкость самих пластин позволяет им, сгибаясь, не ломаться, а передавать энергию деформации к ногам, ноги же, хотя и оказываются при сплющивании вывернутыми, всё же двигают насекомое вперёд – на их голенях сидят шипики, которые позволяют отталкиваться от поверхности. Грубо говоря, таракана можно легко сплющить, но поэтому же его и трудно раздавить.

Повторим, что тараканы тут не есть нечто исключительное – месяц назад на конференции Общества интегративной и сравнительной биологии исследователи из Гарварда сделали доклад про пчёл и ос, в котором также говорилось про твёрдость и упругость их экзоскелета. В частности, выяснилось, что при столкновении в полёте с каким-нибудь препятствием тело пчёлы или осы срабатывает, как пружина, так что насекомое отскакивает обратно; удар при этом, разумеется, смягчается. А в их крыльях есть «заплатки» из эластичного белка резилина, который тоже может «пружинить», тем самым защищая крылья от механических повреждений. (У шмелей же, в отличие от ос и пчёл, всё устроено несколько иначе – сосуды в крыльях шмеля сидят близко к телу, и потому концы крыльев могут свободно гнуться в столкновениях с чем-то твёрдым.)

Очевидно, такой «твёрдо-гибкий» скелет был бы весьма востребован в робототехнике. Каушик Джаярам решил не откладывать дело в долгий ящик и сам собрал робота высотой всего 75 мм – по форме «тела» и из-за скелетных пластин он был похож на мокрицу. Робот мог ходить (или ползать?), причём его ноги были устроены по типу тараканьих, то есть могли отталкиваться от пола, даже будучи вывернутыми. Его можно было сплющить так, что высота его уменьшалась вдвое, и он продолжал ползти вперёд, причём скорость его в 5-10 раз превышала скорость мягких роботов, которых разрабатывают для работы в сложных условиях и которые устройством своим копируют того же осьминога. (Видео с тараканами и «твёрдо-мягким» роботом можно посмотреть здесь.) Осталось только приделать к нему крылья – как признают сами исследователи, создать искусственный аналог осиных-пчелиных крыльев будет довольно сложно, однако первые испытания «Робошмеля» запланированы уже на эту весну.

Выяснилось, что животные часто страдают катарактой.

Международная группа исследователей обнаружила, что длительное действие низких доз радиации повышает риск развития катаракты. Эти данные получены при изучении диких животных в чернобыльской зоне отчуждения, пишут авторы работы в Scientific Reports.

Острое радиоактивное облучение в дозах 0,2—0,5 грей вызывает определяемые при обследования изменения в человеческом хрусталике. Однако влияние хронического воздействия низких доз радиации на глаза человека и других млекопитающих изучено мало.

Исследователи провели вскрытие 80 рыжих полевок, пойманных на различных участках зоны отчуждения с разными уровнями радиоактивного фона. У 57 животных (71 процента) обнаружили катаракту, причем самцы и самки болели ей одинаково часто. У мышей обоих полов заболеваемость катарактой и ее выраженность зависели от возраста.

Однако связь риска катаракты с кумулятивной дозой излучения наблюдалась только у самок. Природа этого явления точно не ясна. Кроме того, у полевок с более выраженной катарактой было меньшее число детенышей. Взаимосвязь этих явлений также не уточнена.

Ученые пришли к выводу, что хроническое воздействие низких доз радиации повышает риск развития катаракты у мышей, что снижает их приспособляемость к условиям окружающей среды.

Катаракта — это помутнение хрусталика глаза, связанное с денатурацией входящего в его состав белка. Заболевание приводит к нарушению зрения различной степени тяжести вплоть до полной слепоты.

Животные способны сочувствовать друг другу, утешать попавшего в беду. Сострадание к товарищу доказано для собак, ворон, слонов, не говоря уже о человекообразных обезьянах. Теперь мы к этой сентиментальной команде можем добавить полёвок. Фото с сайта iflscience.com

Моногамные желтобрюхие полёвки склонны жалеть и утешать товарищей, попавших в беду. Это показано в серии поведенческих экспериментов, поставленных группой ученых из Универститета Эмори. Удалось доказать, что у них имеет место настоящая эмпатия по отношению к знакомым индивидам, со свойственным ей индуцированным эмоциональным и физиологическим состоянием. Ничего похожего не наблюдалось у родственного немоногамного вида — луговых полевок. Выяснилось также, что у желтобрюхих полёвок, как и у человека, эмпатия определяется действием окситоцина в области передней поясной извилины. Это говорит о большой консервативности подобных форм поведения, а также об их спонтанности. Попросту говоря, чтобы проявить сострадание, большого ума не нужно, но необходим вполне определенный эволюционный и социальный контекст.

Влияние нейропептидов, в частности окситоцина и вазопрессина, на поведение млекопитающих широко изучается в последнее время. Еще бы, ведь это такой простой способ манипулировать сложным поведением животных. Любовь, добрые чувства, благодарность, альтруистические порывы — все эти высшие с человеческой точки зрения материи находятся под властью двух химических веществ. Это, естественно, грубое упрощение, и веществ-манипуляторов в организме несравненно больше (см., например, обзор Гены управляют поведением, а поведение — генами, «Элементы», 12.11.2008), но всё же опыты показывают, что окситоцин и вазопрессин (и их аналоги) мощно дирижируют поведением и мотивациями животных, в том числе и человека (см. ссылки в конце статьи).

Группа ученых из Университета Эмори под руководством Джеймса Бёркетта (James Burkett) занялась изучением эмпатии у желтобрюхих полёвок (Microtus ochrogaster), знаменитых своим моногамным семейным устройством, и их родичей луговых полёвок (M. pennsylvanicus), которые в семейном отношении, напротив, известные ветреники. Испытывают ли полёвки жалость друг к дружке, помогают ли товарищам справиться с жизненными неудачами? Станут ли они утешать попавшего в беду друга? Такие вопросы задали ученые себе и своим подопытным мышкам. Эксперименты помогли ответить на эти очень человеческие вопросы: полёвки действительно способны к состраданию. Но это относится только к желтобрюхим полёвкам, но не к луговым.

Суть проведенных экспериментов такова. Пару мышек ссаживали в общую клетку и в течение 30 минут наблюдали за их поведением. Подсчитывали частоту контактов, в особенности тех, которые указывают на благорасположение мышей друг к другу — груминг и контакты «голова к голове» (а контакты, связанные с сексуальным поведением, не учитывали). Затем животных разделяли, так что они друг друга не видели. Одно животное из пары подвергали стрессовым стимулам — давали определенные звуковые сигналы и слабые электрические импульсы. Затем мышек снова сводили вместе и, фиксируя время начала общения, снова подсчитывали частоту «доброжелательных» контактов. Также оценивали, насколько быстро мышки, пережившие стресс, оправляются от испуга.

Схема эксперимента с полевками. В каждом эксперименте испытание проходили около десятка пар, в которых одно из животных подвергалось звуковому, а после — электрическому шоковому стимулу или было просто отсажено в изолированную клетку. Звуковой сигнал предшествовал электрическому шоку, так что этот звуковой стимул был использован в качестве теста на появление тревожного поведения в парах в дополнительных экспериментах. После воссоединения сравнивались соответствующие показатели «доброжелательных» контактов для каждой из пар. В базовом эксперименте стрессу подвергались самки, а самцы их ждали в клетках; испытывались также пары братьев, пары сожителей, содержавшихся в общей клетке с раннего возраста, пары незнакомых мышей. Схема из обсуждаемой статьи в Science

Удивительно, но в парах, где одно из животных испытало стресс, поведение встречающего напарника оказывалось весьма показательным и наглядно демонстрировало пользу мышиного сострадания. Оно совершенно отличалось от тех пар, где стрессового воздействия не было. Встречая испуганного соседа, напарник немедленно (в среднем через 50–80 секунд) бросался к товарищу, начинал тыкаться мордочкой в его шерстку, ворошить ее, облизывать и т. п. Частота контактов с пережившим стресс соседом была больше чем вчетверо выше базового уровня. Для сравнения: после простой изоляции начало контактов регистрировалось в среднем после 350–400 секунд, а частота контактов лишь ненамного (примерно в полтора-два раза) превышает базовый уровень.

Суммарная частота контактов «голова к голове» у пар, где одно из животных подверглось стрессу, и у пар, в которых мыши были просто изолированы друг от друга на то же самое время. Животное после стресса получало в четыре-пять раза больше внимания от товарища, чем просто пересидевшее в одиночестве сходное время. График из обсуждаемой статьи в Science

Результат этих участившихся контактов вполне ожидаемый. Испуг у животных, подвергшихся стрессу, быстро проходил: примерно в два раза быстрее, чем у тех, которые были вынуждены приходить в себя в одиночестве. Утешение сработало.

Ученые классифицируют подобное поведение как проявление настоящей эмпатии или сострадания. Они выделяют помимо прочего три признака, характерных для эмпатии, как мы ее понимаем для человека и других приматов. Это, во-первых, поведенческое уподобление, или индуцированные реакции, во-вторых, сходные физиологические реакции, в-третьих, эмпатия сильнее проявляется по отношению к знакомым и родичам, чем по отношению к незнакомым. Наличие всех трех признаков эмпатии было проверено.

Действительно, встречающие животные демонстрировали беспокойное поведение, сходное с пережившими стресс напарниками. Они замирали (реакция испуга) вместе с товарищем, когда раздавался звуковой сигнал, сопутствующий электрическим стимулам (в отдельном эксперименте немного другого дизайна). Они чаще чистили свою шерстку в присутствии прибывшего товарища, что у полёвок является признаком повышенной тревожности. У встречающих напарников также повышалось в крови содержание гормонов стресса (в данном случае — кортикостерона, см.: П. Умрюхин, О. Григорчук, 2015. Кортикостерон крови и ликвора у крыс с различным поведением в открытом поле при стрессорной нагрузке). Что же касается сострадания к незнакомцам, то желтобрюхие полёвки и здесь повели себя ожидаемым образом: их не слишком озаботило состояние незнакомых соседей. Естественно, все реакции сравнивались с контрольными парами, где ни одно из животных не переживало стресса.

Желтобрюхие полёвки проявили себя с самой лучшей (с человеческих позиций) стороны: они делали все возможное, чтобы утешить товарища. А вот их близкие родичи луговые полёвки, напротив, оказались жестокосердными. Встречающему напарнику и дела не было до страдающего соседа. Они не показали признаков эмпатии ни в одном эксперименте.

Разницу, как выяснилось, определило действие окситоцина, который экспрессируется по-разному у желтобрюхих и луговых полёвок. Если желтобрюхой полёвке сделать инъекцию ингибиторов окситоциновых рецепторов, то реакция утешения по отношению к товарищам пропадала совершенно. Их поведение становилось похожим на поведение их черствых родичей — луговых полёвок.

С помощью гистохимических методик ученые определили ту часть мозга, которая активировалась во время проявления эмпатии. Ею оказалась передняя часть поясной извилины в коре мозга. У человека именно она контролирует формирование эмоциональной эмпатии.

Эти эксперименты показали, что реакции сострадания и утешения, или, точнее, реакции, связанные с эмпатией, не являются высокосознательной формой поведения. Здесь, скорее, можно говорить о спонтанных естественных реакциях. Нейробиологические механизмы, предопределяющие эти реакции, по-видимому, консервативны, так как оказались схожими у полёвок и человека, а также у некоторых других приматов. Но не у всех: у многих макак, так же как и у луговых полёвок, подобных форм поведения нет. Становление эмоциональной эмпатии с соответствующими формами поведения связано с переносом реакций родительской заботы на других членов своей группы. Но проявляются они лишь в определенном эволюционном и социальном контексте.